Stockage de l’énergie

Les stockages thermiques sont parmi les thèmes applicatifs historiques du laboratoire, en particulier les stockages thermiques en chaleur sensible ou en chaleur latente liquide-solide ainsi que les stockages thermochimiques. Ces activités de recherche sont développées aux différentes échelles, des matériaux (matériaux de stockage, enveloppes, fluides de transfert) et interfaces à l’intégration au sein d’un procédé ou d’un système énergétique. Il s’agit ainsi d’un champ d’étude pluridisciplinaire faisant appel aux sciences des matériaux, des différents transferts thermiques, de la mécanique des fluides, de l’analyse et optimisation des systèmes y compris de l’analyse de cycle de vie. Les activités relèvent autant de travaux de modélisation et simulation que d’élaboration et caractérisation de matériaux que de conception-dimensionnement et prototypage d’unités de stockage.

Sur le plan des attentes sociétales et industrielles, ces systèmes de stockage permettent autant d’accorder les déphasages temporels ou les différences de niveaux de puissances entre la disponibilité d’une ressource et la demande côté consommateur que convertir également l’énergie d’un vecteur à un autre. Sur le plan scientifique, l’évolution des attentes ainsi que des réglementations et contraintes environnementales accompagnées des nécessaires recherches d’efficience et sobriété induisent de nouveaux défis auxquels l’état de l’art n’est pas toujours à même de répondre.

Dans le cadre de la transition énergétique, cette thématique des stockages est largement sollicitée pour apporter de l’inertie au sein des réseaux énergétiques, participer à la valorisation des chaleurs fatales industrielles, permettre une meilleure intégration des énergies renouvelable variables ou intermittentes ou encore plus largement de participer à la décarbonation de l’industrie. Pour répondre à ces nouveaux enjeux et en particulier à leurs contraintes associées, les travaux dédiés aux stockages sont progressivement orientés vers de plus hauts niveaux de température, des dynamiques de charge/décharge plus complexes, des approches d’écoconception systématiques ainsi que des modalités d’intégration multifonctionnelles.

Ces recherches font largement l’objet de collaborations tant académiques qu’industrielles tant au niveau national qu’européen ou international.

Les chiffres clés (depuis 2020)

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La plateforme “système dynamique / stockages”

Le laboratoire s’est doté en 2023 d’un banc de stockage/déstockage de la chaleur pouvant fonctionner à différents niveaux de température, et ce jusqu’à une température de 650°C, dans un lit fixe de matériau en utilisant de l’air comme fluide caloporteur. Ce fluide caloporteur permet de générer de l’énergie thermique, dans des conditions similaires à celles obtenues par des rejets thermiques industriels, ou des énergies renouvelables.

Le banc de stockage, d’une puissance de 10 kWh, est composé d’un réservoir de stockage de facteur de forme L/D égal à 4, pouvant être disposé à l’horizontal ou à la verticale, et recevoir 100kg de matériaux de stockage, et d’un réchauffeur d’air. Il peut être utilisé lors des cycles de charge et décharge à durées programmables, et est totalement instrumenté pour un suivi en temps réel de se performances.

Stockages thermiques

Les stockages thermiques sont étudiés en chaleur sensible comme en chaleur latente des basses températures (niveau habitat) aux hautes températures, jusqu’à 800°C dans le cas des chaleurs fatales industrielles, jusqu’à 1000°C dans le domaine du solaire à concentration, jusqu’à 1500°C pour le thermo-photovoltaïque.

Les matériaux de stockage en chaleur sensible couvrent autant les céramiques industrielles que les roches ou encore les céramiques issues du traitement de déchets inorganiques industriels. Ils sont mis en œuvre dans l’unité de stockage soit sous forme granulaire, soit sous forme de garnissages structurés selon les performances attendues notamment vis-à-vis des transferts avec les fluides de charge/décharge. Les configurations de l’unité de stockage, par exemple sous forme de thermocline, sont étudiées tant au niveau de leur fonctionnement interne que de leur dynamique dans le procédé applicatif.

Les travaux dédiés au stockage à chaleur latente liquide-solide mettent en œuvre des matériaux à changement de phase organiques pour les basses températures (inférieures à 200°C), inorganiques aux plus hautes températures (sels jusqu’à 1000°C, métaux et alliage au-delà). Des composites spécifiques sont conçus, élaborés et caractérisés pour intensifier certaines propriétés clefs de ces matériaux comme la stabilisation de la température effective de changement d’état, les niveaux de puissances de charge/décharge, les conductivités thermique et électrique.

Focus sur un projet :
Stockage thermique PCM à haute T pour le TPV, projet PEPS ST4TPV

Le projet ST4TPV est centré sur la brique amont de conversion « Power-to-Heat » avec stockage à l’interface entre les sources EnR électriques variables et intermittentes et la conversion thermophotovoltaïque (TPV). Vis-à-vis de l’état de l’art international du développement de batteries TPV (solution décarbonée de conversion « Power-to-Heat-to-Power » avec stockage), le couple matériau de stockage thermique haute température (matériaux à changement de phase liquide-solide « PCM » métalliques entre 1000-2500°C) et son enveloppe, adaptés aux contraintes amont des EnR et aval de la conversion TPV, constituent un verrou clef potentiellement différentiant. Le projet se positionne stratégiquement sur ce couple clef PCM/enveloppe ainsi que sur la charge du stockage thermique haute température par conversion électrothermique in situ.

Partenaires

Stockage mécanique

Dans l’objectif d’exploiter l’énergie mécanique de l’océan (vent, courants marins, vagues, etc.), des systèmes de stockage de l’air comprimé ont été développés avec critère d’efficacité énergétique maximum en rapprochant de la compression isotherme. La chaleur de compression a été stockée pour préchauffer de l’air pendant le décharge dans le cas de piston solide. Dans le cadre de la collaboration avec  Segula Technologies, une nouvelle solution technologique d’utilisation d’un piston liquide est retenue pour la réalisation des processus de compression/détente. Il a été montré que l’efficacité de piston liquide peut atteindre 97% et permet d’affranchir de plusieurs contraintes liées à l’utilisation d’un piston solide (étanchéité, choix de géométrie). Des études de modélisation réalisées au sein du LTeN ont permis de mieux comprendre et de quantifier les phénomènes physiques complexes de l’écoulement et des transferts thermiques associés à la compression/détente de l’air par piston liquide. De plus, des solutions d’optimisation géométrique ont été proposées afin de permettre une utilisation efficace lors d’une implémentation industrielle du système.

Publications

Partenaires

Stockage électrique

Le stockage de l’électricité est ici abordé en réponse aux problématiques d’intégration massive des énergies renouvelables variables et intermittentes (ERVI) dans les réseaux. Sans stockage, la production de ces ERVI est souvent écrêtée induisant des pertes énergétiques importantes. Couplant cette problématique aux enjeux de la décarbonations de l’industrie pour laquelle il est nécessaire de produire de la chaleur haute température, le P2H permet de convertir et valoriser l’électricité perdue issue des ERVI en chaleur utile. Le stockage thermique en interface entre les ERVI et l’utilisateur permet d’effacer les variations des sources et d’offrir à l’utilisateur la chaleur générée à la demande. L’originalité développée au laboratoire consiste à effectuer la conversion électrothermique (de l’électricité en chaleur) directement au sein du stockage en utilisant le matériau de stockage thermique lui-même comme convertisseur. En mutualisant ainsi les deux fonctionnalités de conversion et de stockage, on économise un composant du système, on évite l’emploi d’un gaz vecteur lors de la charge, on réduit le temps de charge (on augmente donc la puissance) et l’on assure une charge thermique homogène au sein du matériau de stockage. Cette approche est développée tant en chaleur sensible que latente et en chauffe par effet Joule ou par effet électromagnétique (induction ou micro-ondes).

Ce type de stockage est tout particulièrement stratégique pour l’intégration massive des énergies renouvelables dans les réseaux, la décarbonation des procédés thermiques industriels ou encore l’utilisation de l’énergie solaire à concentration pour la chaleur industrielle.

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Composite de stockage graphite/NaNO3 chauffé par induction.

Focus sur un projet : Programme PEPS SHI4P2H

Le projet émergent IH4P2H concerne les matériaux et systèmes de stockage thermique (sensibles et latents) haute température dédiés au Power-to-Heat. L’approche originale développée consiste à opérer la conversion électrothermique in situ (au sein de l’unité de stockage) en utilisant le matériau de stockage comme convertisseur.

Le premier objectif du projet a été de former une communauté nationale de laboratoires (LTeN, IREENA, CRISMAT, CEMHTI, RAPSODEE) autour de ce sujet et de leur faire bénéficier d’une première expérience collaborative dans ce cadre. Le second objectif a été de sélectionner des matériaux (sensibles et latents, éventuellement composites) et d’obtenir des résultats préliminaires de conversion électrothermique par effet Joule, induction ou micro-ondes sur ces matériaux et de commencer à les caractériser. Enfin le dernier objectif a été de préparer et soumettre le projet ANR SHI4P2H permettant le cas échéant de poursuivre l’étude.

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